李 偉, 員 海, 劉 磊

(西北工業(yè)大學 航天學院, 陜西 西安 710072)

當前,我國在“新工科”建設(shè)的背景下[1-2],迫切需要地方高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和動手實踐能力的航天工程科技人才,我國航天專業(yè)教學方式面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面,各高等院?！爸卣n堂、輕實踐”的思想觀念根深蒂固,導致輸送給相關(guān)航天單位的人才和工程實踐活動脫節(jié)[3]。另一方面,航天工程的相關(guān)實驗往往需要模擬空間飛行器的姿態(tài)運動,這就必須實現(xiàn)對空間微重力環(huán)境的模擬。有一些學生從本科階段就開始從事飛行器設(shè)計或制導控制等相關(guān)專業(yè)的學習、研究,但是直至博士階段,都很少接觸實際的飛行器控制系統(tǒng)和相關(guān)的測試、仿真評估方法,進入工作單位后,這種狀況嚴重制約了他們的研發(fā)活動。

鑒于此,我們針對航天專業(yè)本科生的培養(yǎng)特點,搭建了一套氣浮衛(wèi)星實驗平臺。該平臺利用壓縮空氣,在氣浮球軸承和底座球窩之間形成一層氣膜,使得模擬航天器浮起,從而實現(xiàn)失重環(huán)境下的低摩擦力學環(huán)境,進而可以利用氣浮轉(zhuǎn)臺開展飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)實驗,同時對實驗條件建設(shè)、實驗內(nèi)容的組織與實施開展全面地探索。

1 實驗平臺設(shè)計及組成

氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)共包括氣浮系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等6個部分,如圖1所示。

圖1 氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)組成

1.1 氣浮系統(tǒng)

氣浮系統(tǒng)主要由供氣裝置和氣浮軸承組成,其作用是使氣浮臺能夠在3個方向上轉(zhuǎn)動,提供一個低摩擦、微重力的接近太空的力學環(huán)境[4-6]。

1.1.1 供氣裝置

供氣裝置由空壓機、冷干機、QPS精密過濾器以及通氣管路等組成?？諌簷C提供高壓空氣供氣浮軸承使用。空壓機采用無油空氣壓縮機,型號FB-95/7(見圖2),流量為204 L/min,容積為55 L,輸入功率為1 120 W,工作時保存氣體壓力為0.4～0.8 MPa,氣壓低于0.4 MPa時自動開始壓縮空氣。根據(jù)氣浮軸承的耗氣量為2～3 L/min,需要高壓氣體壓力為0.4～0.8 MPa,FB-95/7型空氣壓縮機可以滿足要求。

圖2 FB-95/7型空壓機

冷干機和QPS精密過濾器如圖3所示,它們的作用是將空壓機壓縮的高壓空氣進行干燥和過濾處理,過濾空氣中固體微粒、水滴及油霧等氣溶膠類雜質(zhì),給氣浮軸承供給干燥清潔的空氣,從而可以避免氣浮軸承表面快速氧化腐蝕,提高軸承使用壽命。

圖3 CY-10AC型冷干機和過濾器

1.1.2 氣浮軸承

氣浮軸承是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分,由球窩、氣浮球和軸承支柱組成,用于支撐整個氣浮實驗衛(wèi)星的重量,同時可以提供三軸的轉(zhuǎn)動自由度。利用氣浮技術(shù)為氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)提供一個低摩擦、微重力的接近太空的力學環(huán)境,從而實現(xiàn)對氣浮衛(wèi)星的三軸姿態(tài)控制全物理仿真。

考慮到氣浮軸承成本的限制以及其承載能力和運動范圍的要求,本次實驗設(shè)計使用的氣浮球軸承不同于一般的半球型軸承,而是采用超半球型軸承,如圖4所示。軸承直徑120 mm,承載能力大于150 kg,且可以保證滾轉(zhuǎn)和俯仰的運動范圍大于正負30°。軸承支柱高度500 mm,球窩布局在軸承支柱的頂端,具體如圖5所示。

圖4 氣浮軸承

圖5 軸承支柱及球窩

1.2 機械系統(tǒng)

氣浮實驗衛(wèi)星機械系統(tǒng)主要包括機械平臺和調(diào)平衡系統(tǒng)等,如圖6所示。

圖6 完成調(diào)平的機械平臺實物圖

1.2.1 機械平臺

機械平臺是整個系統(tǒng)的主要承載單元,設(shè)計時必須要對其進行受力分析和強度校核,并且進行剛度計算,使其變形在容許范圍之內(nèi)。機械平臺采用上下層布局方式,設(shè)計過程中為了考慮質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求,采用對稱設(shè)計。氣浮軸承通過軸承蓋固定于上下平臺中間位置,下平臺中間挖空使得軸承支柱貫穿,滿足氣浮軸承工作需求；上下層及軸承蓋之間分別采用4個工字梁連接,上下平臺上面分別設(shè)計有間距25 mm的M6螺紋孔,便于調(diào)平衡系統(tǒng)以及其他部件的安裝。除此之外,為了便于后期傳感器以及飛輪供電線路的連接,在上平臺稍偏中心的位置挖了一個孔,用于線路的布置和安排。

完成機械平臺的結(jié)構(gòu)布局形式后,需要對其進行模態(tài)分析和靜力分析、判斷結(jié)構(gòu)的強度和剛度是否滿足設(shè)計要求。利用ABAQUS對其進行模態(tài)分析和靜力分析,結(jié)果見表1。

表1 機械平臺前五階模態(tài)分析結(jié)果

從表1中可以看出機械平臺基頻為81.87 Hz,滿足設(shè)計要求。

圖7和圖8是機械平臺靜力分析的結(jié)果,平臺材料為鋁,密度為2.71 g/cm3,彈性模量和泊松比分別為70 GPa和0.3,邊界條件設(shè)置為軸承蓋下端固定,載荷加1 000 N,分析其應力分布和變形大小,從而判斷結(jié)構(gòu)的強度和剛度是否滿足設(shè)計要求。

圖7 機械平臺靜力分析應力圖

圖8 機械平臺靜力分析變形圖

從圖7和圖8可以看出,平臺在承受1 000 N力的情況下最大應力約為0.483 6 MPa,鋁的屈服極限為80 MPa,強度滿足設(shè)計要求,且有很大的設(shè)計余量；最大位移約為0.013 38 mm,考慮到系統(tǒng)正常工作的前提是質(zhì)心調(diào)平衡要將重力偏心力矩調(diào)節(jié)在0.1 N·m,對100 kg臺體即要求重心和軸承回轉(zhuǎn)中心偏差要小于0.1 mm,因此結(jié)構(gòu)變形引起的位移滿足條件,結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

1.2.2 調(diào)平衡系統(tǒng)

調(diào)平衡系統(tǒng)是保證整個系統(tǒng)高性能正常工作的關(guān)鍵和靈魂[7-9],用來調(diào)節(jié)三軸氣浮實驗衛(wèi)星的質(zhì)心,保證質(zhì)心和氣浮軸承的轉(zhuǎn)動中心重合,從而減小和消除不平衡重力偏心力矩,減小其對氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)姿態(tài)控制實驗的影響。

圖9 不同質(zhì)量等級質(zhì)量塊實物圖

為了保證質(zhì)心位置調(diào)控的快速性和準確性,設(shè)計了不同質(zhì)量等級的質(zhì)量塊,如圖9所示,從左到右質(zhì)量分別為26、213、613 g和1.5 kg,配合使用大質(zhì)量塊和小質(zhì)量塊便可以對質(zhì)心位置進行快速且高精度的調(diào)節(jié)。

1.3 測量系統(tǒng)

姿態(tài)傳感器是氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)姿態(tài)確定的重要組成部分,其原理是測量系統(tǒng)相對于慣性空間的姿態(tài)信息,根據(jù)測量信息得到系統(tǒng)相對于慣性空間的姿態(tài)[10-11]。主要包括三軸陀螺儀(見圖10)和三軸角度儀(見圖11),陀螺儀和角度儀分別對氣浮實驗衛(wèi)星的角速度和角位置進行測量,從而實現(xiàn)氣浮實驗衛(wèi)星的姿態(tài)確定。

圖10 TL630-0050三軸陀螺儀

圖11 TL766D-RS232三軸角度儀

1.4 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)由與3個體坐標軸平行的三正交飛輪組成,用來提供3個方向控制力矩。飛輪系統(tǒng)由電機、驅(qū)動器、輪子以及安裝架等組成,部分簡圖如圖12所示。電機選用60A3A02030型低壓伺服電機。輪子材料為鋁材,直徑為300 mm,厚度為16 mm,轉(zhuǎn)動慣量為0.034kg·m2,可以滿足氣浮實驗衛(wèi)星在干擾力矩0.1 N·m下100 s不飽和的指標要求。

圖12 飛輪系統(tǒng)組成部分簡圖

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個氣浮實驗衛(wèi)星的大腦,主要實現(xiàn)測量信號采集、控制指令計算、運算處理與決策,并實現(xiàn)控制指令發(fā)送、信息傳遞、監(jiān)測、計算,同時具有記憶保存實驗數(shù)據(jù)等作用?？刂葡到y(tǒng)主要包括工控機和接線盒等組成,工控機由機箱、控制卡、數(shù)據(jù)采集卡和模擬輸出卡等組成。本次氣浮實驗衛(wèi)星控制系統(tǒng)采用PS PXI -3050控制器,該工控機同時包含有PS PXI -3361多功能數(shù)據(jù)采集卡和PS PXI -3381 32通道模擬輸出卡等。工控機實物圖見圖13。

圖13 PS PXI -3050工控機實物圖

1.6 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是整個氣浮實驗系統(tǒng)的能量來源,主要包括36V8AH電池(見圖14)、逆變器和轉(zhuǎn)換電源等組成,用來給氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)的工控機、飛輪、陀螺儀和傾角儀等部件供電。

表2詳細列出了整個系統(tǒng)的所有耗電部件以及其供電電壓等。

表2 耗電部件及其輸入電壓

圖14 36V8AH電池

從表2可以看出,電源系統(tǒng)必須提供36 V直流、220 V/50 Hz交流,以及9～36 V直流電,因此,選用36 V、8 Ah電池直接給飛輪系統(tǒng)提供36 V直流電。用36 V直流轉(zhuǎn)220 V/50 Hz交流逆變器,將直流電轉(zhuǎn)成交流電供PS PXI-3050控制器使用；TL630-0050三軸陀螺儀功率較小,直接使用控制器模擬輸出卡提供12 V電壓供其使用；TL766D-RS232三軸角度儀由于所需功率較大,使用控制器模擬輸出卡無法提供,直接使用36 V電池電源可能導致傳感器燒毀,因此需要單獨配備一個電源轉(zhuǎn)換器,將220 V/50 Hz交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電供TL766D-RS232三軸角度儀使用。

2 實驗平臺應用分析

該平臺可以用于衛(wèi)星姿態(tài)動力學實驗的教學,教學內(nèi)容的設(shè)置可以從簡單到復雜逐步展開。隨著學生對衛(wèi)星姿態(tài)動力學概念及基本理論的掌握,利用可編程模塊調(diào)動學生自主科研能力及興趣,不斷提高學生的科研水平。

2.1 姿態(tài)確定實驗

姿態(tài)動力學模型采用經(jīng)典的衛(wèi)星姿態(tài)動力學方程組[12],將動力學方程組線性化后作為系統(tǒng)狀態(tài)方程,選擇系統(tǒng)3個歐拉角作為被測量,采用LS-SVM輔助卡爾曼濾波算法進行衛(wèi)星姿態(tài)確定實驗。仿真參數(shù)選擇采用氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)的參數(shù)，即轉(zhuǎn)動慣量Ix=6 kg·m2、Iy=7 kg·m2、Iz=9 kg·m2；力矩Mx=-0.2 N·m、My=0.02 N·m、Mz=0.05 N·m；初始條件設(shè)置見表3。表3中：、θ和ψ分別為氣浮衛(wèi)星的滾動角、俯仰角和偏航角；ωx、ωy和ωz分別是氣浮衛(wèi)星的角速度在慣性坐標系[12]的3個分量；下標“0”表示初始狀態(tài)。限于篇幅以滾轉(zhuǎn)通道為例進行實驗,實驗結(jié)果如圖15和16所示。

表3 初始條件

從圖15滾轉(zhuǎn)通道EKF結(jié)果與SVM輔助EKF結(jié)果對比可以看出,采用最小二乘支持向量機輔助卡爾曼濾波的結(jié)果更好,通過計算均方根誤差發(fā)現(xiàn),僅采用擴展卡爾曼濾波結(jié)果和真實值的均方根誤差為0.022 1,采用LS_SVM輔助EKF的結(jié)果和真實值的均方根誤差僅為0.010 2。圖16給出了滾轉(zhuǎn)通道LS_ SVM預測非線性誤差效果,圖中藍線是真實的非線性誤差,紅圈是算法預測得到的非線性誤差,從圖中可以看出算法的預測結(jié)果與真實誤差基本一致。

圖15 滾轉(zhuǎn)通道EKF結(jié)果與SVM輔助EKF結(jié)果對比圖

圖16 滾轉(zhuǎn)通道SVM預測非線性誤差效果圖

2.2 姿態(tài)控制實驗

完成系統(tǒng)調(diào)試以及實驗準備工作后,可以進行姿態(tài)控制實驗,圖17是整個系統(tǒng)三軸指向穩(wěn)定的示意圖。限于篇幅,以滾轉(zhuǎn)通道為例進行姿態(tài)控制實驗,實驗結(jié)果如圖18和19所示。

圖17 三軸指向穩(wěn)定氣浮實驗衛(wèi)星系統(tǒng)

圖18 滾轉(zhuǎn)通道角度變化實驗曲線

圖19 滾轉(zhuǎn)通道角度控制誤差實驗曲線

根據(jù)姿態(tài)滾轉(zhuǎn)通道穩(wěn)定實驗所得到的數(shù)據(jù)繪制實驗曲線?？梢钥闯?滾轉(zhuǎn)通道在給一定的初始姿態(tài)偏差后,系統(tǒng)可以最后實現(xiàn)穩(wěn)定,從圖19中可以看出,滾轉(zhuǎn)通道最終穩(wěn)定后滾轉(zhuǎn)角誤差在0.4°以內(nèi),滿足實驗要求。

3 結(jié)語

基于氣浮原理搭建了一套三軸氣浮衛(wèi)星實驗平臺。該平臺較好地模擬衛(wèi)星飛行的微重力環(huán)境。在衛(wèi)星姿態(tài)動力學教學實驗中,可以幫助學生直觀、深入地理解衛(wèi)星姿態(tài)運動的基本概念及理論,其可編程功能能夠激發(fā)學生的自主科研熱情,有利于提高衛(wèi)星實驗的教學質(zhì)量。此外,該平臺也是衛(wèi)星姿態(tài)控制科研項目中的重要部分,對于節(jié)約科研成本、保證科研項目進度等方面作用也比較顯著。